Quando si deve bruciare una sostanza combustibile, occorrono tre cose: il combustibile, il comburente e l’innesco. Il combustibile è, per esempio, la benzina; il comburente è l’ossigeno; l’innesco una scintilla che scocca tra due elettrodi.

Senza uno di questi tre fattori non si ha combustione. Nel caso del motore a scoppio, la benzina è contenuta in un serbatoio e viene risucchiata da un’apposita pompa, l’ossigeno viene preso direttamente insieme all’aria e la scintilla è generata da un’apposita batteria o generatore elettrico. Detto così sembra tutto facile, ma per ottenere una combustione ottimale occorre che si formi una miscela ossigeno-benzina in ben determinate proporzioni, perché un eccesso di uno dei due componenti può provocare una cattiva combustione o non provocarla proprio.

Per la propulsione a razzo, la quantità di combustibile da bruciare è così elevata che non è possibile utilizzare l’ossigeno atmosferico, perché l’aria contiene non solo ossigeno, ma anche azoto, anidride carbonica e vapore acqueo, che non sono facilmente filtrabile, e che iniettati nella camera di combustione di un razzo interferiscono con la combustione. Nello spazio poi l’ossigeno non c’è, ecco quindi la necessità di provvedere a iniettare, nella camera di combustione, combustile e comburente puri. Queste due sostanze, in termini astronautici, sono definiti propergoli.
Definiamo il propulsore a razzo. Un involucro, ovvero la camera di combustione, solitamente cilindrico con una estremità aperta, dove c’è una strozzatura, opportunamente sagomata dal progettista, e subito dopo il cono dell’ugello di scarico, a sua volta sagomato in modo da convogliare verso l’esterno i gas combusti ed assorbire la loro pressione residua per trasformarla in spinta. Nessuna componente meccanica è direttamente coinvolta nella produzione del moto e per questo la propulsione a razzo è considerata una delle più efficienti forme di propulsione esistenti, priva com’è di attriti meccanici. Peccato che sebbene il principio di funzionamento è semplicissimo, è molto difficile da realizzare. Per rendere più comprensibile la cosa, basti sapere che durante la Seconda Guerra Mondiale la Germania nazista spese, per sviluppare la propulsione a razzo, molto più di quanto spesero gli Stati Uniti d’America per realizzare la bomba atomica.
Analizzando meglio le caratteristiche di un motore a razzo si capisce anche perché. Nelle armi da fuoco la camera di scoppio e la canna sono in acciai speciali e molto spessi, per resistere alle pressioni ed alle alte temperature, che per altro non durano a lungo. Nei motori a pistoni il raffreddamento è ottenuto convogliando un flusso d’aria o di liquidi contro le pareti esterne del cilindro e raffreddando la testa del pistone con opportuni getti d’olio. I razzi invece non possono essere realizzati con spessori eccessivi degli involucri e non possono nemmeno essere raffreddati, quantomeno non da fluidi esterni al propulsore, quindi si rischia la fusione della camera di combustione, dal momento che mentre nelle armi da fuoco e nei motori a pistoni, le combustioni sono intermittenti, nei razzi la combustione è continua.

Nulla vieta d’utilizzare un sistema di raffreddamento a parte per le pareti del razzo, ma i progettisti devono risparmiare sui pesi e semplificare le strutture, per cui un impianto di raffreddamento costituisce un peso eccessivo, con i suoi serbatoi, radiatori, fluidi, valvole e pompe di spinta. Troppo peso e troppe complicazioni, poi troppo spazio. Da qui la necessità di realizzare camere di combustione leggere e resistenti, almeno per tutto il tempo in cui è previsto che il razzo debba funzionare. Per arrivare a ciò occorrono materiali nuovi che mettono a dura prova le conoscenze tecniche e scientifiche di chi vuole realizzare un propulsore a razzo. Spesso però il razzo, come detto in precedenza, deve funzionare solo per un limitato periodo di tempo, quindi i progettisti possono spingersi fino ai limiti dei materiali utilizzati, dal momento che devono resistere solo quel tanto che basta e se poi si deteriorano, la cosa non ha più importanza.
I i propergoli. Inizialmente furono usate miscele varie come combustibili, ma alla fine si è arrivati a stabilire quali sono i combustibili e relativi comburenti più idonei. I più usati sono la combinazione kerosene-ossigeno (in realtà il normale combustibile usato dai moderni jet ed ossigeno), idrogeno-ossigeno (entrambi in forma liquida) oppure dei propergoli chimici fortemente acidi (molto tossici). Nei primi due casi, l’ossigeno è in forma liquida e per mantenerlo tale occorre possedere conoscenze di criogenica, se poi si parla d’idrogeno, sempre in forma liquida, occorre una conoscenza avanzata della criogenica.

Si comprende subito che ciò che viene iniettato in camera di combustione non sono sostanze consuete, come ad esempio la benzina, e questo comporta un’ulteriore aggravio in fase di progettazione e realizzazione, anche dei materiali stessi con cui i propergoli entreranno in contatto, come serbatoi, tubazioni, valvole e pompe. Nel caso di propergoli criogenici però c’è un lato positivo, che essendo a temperature ben al di sotto dello zero, possono essere usati anche per raffreddare il razzo stesso. L’idrogeno e l’ossigeno liquidi non necessitano neppure di un innesco perché detonano appena entrano in contatto.

Per discuterne insieme rimando al post sul forum "La propulsione a razzo 2"